Strepen zijn overal te vinden, van zebra's die in het wild rondzwerven tot het laatste fashionstatement. In de wereld van microscopische fysica, periodieke streeppatronen kunnen worden gevormd door elektronen in zogenaamde kwantummaterialen.

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben nu de intrigerende dynamiek ontward van hoe dergelijke strepen op atomaire schaal smelten en vormen, het verstrekken van fundamentele inzichten die nuttig kunnen zijn bij de ontwikkeling van nieuwe energiematerialen.

In sterk gecorreleerde kwantummaterialen, interacties tussen de elektronen heersen opperste. De complexe koppeling van deze elektronen met elkaar - en met elektronenspins en kristaltrillingen - resulteert in exotische fasen zoals ladingsordening of supergeleiding bij hoge temperatuur.

"Een belangrijk doel van de fysica van de gecondenseerde materie is om de krachten te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor complexe fasen en de overgangen daartussen, " zei Robert Kaindl, een hoofdonderzoeker en stafwetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "Maar in de microscopische wereld, interacties zijn vaak extreem snel. Als we een materiaal langzaam verwarmen of afkoelen om van fase te veranderen, we kunnen de onderliggende actie missen."

Kaindl en zijn collega's hebben ultrasnelle laserpulsen gebruikt om de microscopische dynamiek van gecorreleerde kwantummaterialen uit elkaar te halen om toegang te krijgen tot de interacties tussen de elektronen en met het atomaire rooster van het kristal in het tijdsdomein.

Voor deze studie is werkten de onderzoekers met lanthaannikkelaat, een kwantummateriaal en modelstreepverbinding. Vooral, de onderzoekers onderzochten de elektronische ladingen die het streeppatroon vormen en hoe ze aan het kristalrooster koppelen.

Hoe ladingen interageren met het kristal is een belangrijk ingrediënt voor de streepfysica, aldus de onderzoekers.

"Het kristalrooster vervormt sterk rond de ladingsstrepen, " zei Giacomo Coslovich, die het werk deed terwijl hij een postdoctoraal onderzoeker was bij Berkeley Lab. "Deze verandering van de kristalsymmetrie resulteert in nieuwe roostertrillingen, die we op hun beurt kunnen detecteren met licht op terahertz-frequenties."

Kaindl en Coslovich zijn corresponderende auteurs van een paper waarin deze resultaten worden gerapporteerd in wetenschappelijke vooruitgang .

In hun experimenten, het materiaal wordt optisch geëxciteerd door een nabij-infrarode laserpuls met een duur van 50 femtoseconden, en gesondeerd met een terahertz-puls met variabele tijdsvertraging. Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde.

De onderzoekers vonden onverwachte dynamiek bij het gebruik van de laser om de microscopische orde te verstoren.

"Het interessante is dat terwijl de laser de elektronen onmiddellijk aanstak, de trillingsvervormingen in het kristal bleven aanvankelijk bevroren, " zei Coslovich, die nu associate staff scientist is bij SLAC National Accelerator Laboratory. "De trillingen in de streepfase verdwenen pas na enkele honderden tot enkele duizenden femtoseconden. We concludeerden ook dat de snelheid afhangt van de richting van de interacties."

De interpretatie van de experimenten werd ondersteund door simulaties van de fonondispersie door Alexander Kemper van de North Carolina State University.

De resultaten geven belangrijk inzicht in de interacties, of "lijm, " die elektronen koppelen aan roostertrillingen in het lanthaannikkelaat. Echter, hun bredere relevantie komt voort uit recente waarnemingen van ladingsvolgorde in supergeleiders bij hoge temperatuur - materialen waar elektrische stromen zonder weerstand kunnen vloeien bij temperaturen boven het kookpunt van vloeibare stikstof. Terwijl het mechanisme raadselachtig blijft, recente studies hebben het vermogen aangetoond om supergeleiding te induceren door strepen te onderdrukken met korte lichtpulsen.

"Er wordt gedacht dat fluctuerende strepen voorkomen in onconventionele supergeleiders. Onze studie stelt een snelheidslimiet voor hoe snel dergelijke patronen kunnen veranderen, "zei Kaindl. "Het benadrukt het belang van het overwegen van zowel de ruimtelijke als de temporele structuur van de lijm."